CN101847045B - 一种仪器系统的标准接口方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种仪器系统的标准接口方法，属于计算机接口技术领域，本方法定义了标准仪器接口，将仪器功能和计算机接口进行分离，使得两者可以独立发展，仪器的设计不依赖于计算机接口技术，两者通过松耦合的方式集成，达到仪器与计算机互连的目的。当新的计算机接口技术诞生之后，利用本方法，仪器厂商无须重新设计整个仪器设备，也无须重新考虑新接口技术如何整合到仪器设备中，就可以很容易地将新的计算机接口技术应用到原有的仪器设备中，从而解决仪器系统接口开发、维护复杂、成本高等问题，节约仪器厂商的设计投入，简化仪器与计算机之间的互连方法，可以更加快速应对市场需求。
Description
技术领域
本发明属于计算机接口技术领域，具体涉及一种仪器系统的标准接口方法。
背景技术
计算机技术、电子技术以及集成电路技术的日益发展促进了计算机接口技术的迅猛发展，使得外围设备与计算机的互联发生了重大变化，并且正朝着高速、智能的方向不断前进。计算机接口从原始的RS-232串行接口、并行接口已经发展到了具有完备OSI通信规范的USB总线、蓝牙无线接口以及高速以太网接口，实现复杂度有了大幅度的提高。
目前，诸如分析仪器之类的传统仪器设备作为计算机外围设备通常采用RS-232接口与计算机进行通信，但是其通信速率低，且功能单一，越来越不满足现代仪器的需求。因此，新的计算机接口技术不断应用到仪器设计领域，并且成为仪器设计的重要组成部分。计算机接口技术的日益发展及多样化对仪器厂商而言是一种挑战和亟待解决的问题。为了占领市场份额，快速响应市场的需求，仪器厂商需要不断地追踪计算机接口技术的最新发展，不得不熟悉多种计算机接口标准，研发基于多种计算机接口标准的仪器设备。另外，新接口技术的出现还需要对原有仪器系统进行重新设计，这必然增加仪器厂商在人力、物力和财力方面的投入。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种仪器系统的标准接口方法，将仪器功能和计算机接口进行分离，这样使得两者可以独立发展，仪器的设计不依赖于计算机接口技术，两者通过松耦合的方式集成，达到仪器与计算机互连的目的。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种仪器系统的标准接口方法，包括计算机和仪器系统，所述方法包括以下步骤：
(1)定义标准仪器接口，所述标准仪器接口为仪器系统通用的接口；
(2)将所述计算机接口独立成一个接口单元，所述接口单元一端为计算机接口，另一端为所述的标准仪器接口；所述接口单元与仪器系统通过所述标准仪器接口进行连接；
(3)在所述计算机上将所述接口单元虚拟化成一个标准仪器接口端口，仪器测控软件通过访问所述标准仪器接口端口与仪器系统进行数据交互；
(4)当所述计算机与仪器系统通过所述接口单元互连时，仪器系统对所述接口单元进行识别；在识别过程中，仪器系统与接口单元采用默认的参数进行数据交互，获取所述接口单元的配置信息；当获取所述接口单元的配置信息后，仪器系统对接口单元进行识别、配置操作，完成接口单元的配置；配置完成后，仪器系统采用配置后的参数通过接口单元与计算机进行数据交互。
在所述步骤(1)中，所述标准仪器接口在物理层采用串行通信方法或者并行通信方法。串行通信方法和并行通信方法在物理层具有各自的特征，但在逻辑层具有相同的通信规范和数据格式定义。具体来说，串行通信方法基于异步串行通信(UART)的原理，并行通信方法基于存储总线的原理。串行通信方法的信号定义与通用UART保持一致，可以满足较低通信速率的需求；并行通信方法可以满足较高通信速率的需求。
在所述步骤(4)中，仪器系统对接口单元的识别、配置过程为即插即用过程，通过接口单元内部的配置空间来实现。
所述配置空间采用标准的数据格式，在配置空间中记录接口单元的相关参数如属性，通过标准的配置时序和配置命令进行访问。
所述方法通过将计算机接口单元与仪器系统分离，仪器系统可以不关心具体的计算机接口类型，其对外体现标准的仪器接口。例如，将符合标准仪器接口标准的USB接口单元与仪器系统连接之后，仪器系统将对外体现USB的接口能力。
所述方法中的接口单元的实现与具体的计算机接口类型相关，与仪器系统无关。所述接口单元与仪器系统通过标准仪器接口进行互联，因此，仪器系统在设计过程中无需考虑接口的具体类型，通过选择具体的接口单元就可以采用相应的计算机接口与计算机互连。接口单元与仪器系统的分离，使得仪器系统的发展独立于计算机接口技术的发展。
所述标准仪器接口的实现规范分为物理层规范和逻辑层规范。物理层规范主要解决信号定义、通信时序等问题；逻辑层规范主要解决数据报文格式定义、配置数据格式定义、传输控制等问题。
所述方法中的标准仪器接口物理层实现方法通常有两种，并且可以根据需要进行扩展。第一种方法基于异步串行通信(UART)的原理；第二种方法基于存储总线的原理。异步串行通信的方法占用的较少的信号线，是一种常用的接口方法，几乎所有的SOC芯片都支持该方法，采用这种物理接口方法可以减少信号数量，但是具有较低的通信速率。存储总线的方法是一种并行方法，该方法的信号由本发明定义，适用于仪器系统高速数据传输。
所述方法中的配置操作是仪器系统与接口单元互连过程中的重要步骤。仪器系统在使用接口单元进行数据通信之前，需要对接口单元进行配置。配置操作时，仪器首先采用默认的配置参数读取接口单元配置空间中的数据，该默认配置参数是所有接口单元都支持的通信参数。获取接口单元配置信息之后，仪器系统就可以采用最新的配置参数通过接口单元与计算机进行数据交互。
上述方法中的配置空间是存放接口单元配置信息的逻辑空间。配置空间中的信息描述了接口单元的属性，通过该信息，仪器系统可以了解到接口单元的通信方法以及相关时序极限值，从而实现与接口单元之间的最佳数据交互。
所述方法中的虚拟化的标准仪器接口端口是仪器测控软件访问的接口。在物理上，标准仪器接口规范了仪器系统与接口单元之间的互连；在计算机的软件抽象层，虚拟化的标准仪器接口端口规范化了仪器系统软件与接口单元软件之间的互连。通过软件层的虚拟化，使得仪器系统的软件开发与具体的计算机接口无关，从而真正实现了仪器系统在硬件和软件层次上与计算机接口技术的独立。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：将接口单元从仪器系统中独立出来，并引入了标准仪器接口的概念，使得仪器系统本身与计算机接口技术无关，同时给出的配置空间的概念实现了接口单元的即插即用。因此，当新的计算机接口技术诞生之后，仪器厂商无须重新设计整个仪器设备，也无须重新考虑新接口技术如何整合到仪器设备中，就可以很容易地将新的计算机接口技术应用到原有的仪器设备中，从而解决仪器系统接口开发、维护复杂、成本高等问题，节约仪器厂商的设计投入，简化仪器与计算机之间的互连方法，可以更加快速应对市场需求。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
图1是本发明的方法中仪器系统与接口单元互连模型示意图
图2是本发明的方法中接口单元的原理框图
图3是本发明的方法的实施例中标准并行仪器接口信号定义图
图4是本发明的方法的实施例中并行仪器接口的配置读时序图
图5是本发明的方法的实施例中并行仪器接口的通信读时序图
图6是本发明的方法的实施例中并行仪器接口的配置写时序图
图7是本发明的方法的实施例中并行仪器接口的通信写时序图
图8是本发明的方法的实施例中配置报文数据格式定义图
图9是本发明的方法的实施例中为Windows虚拟端口驱动模型图
具体实施方式
一种仪器系统的标准接口方法，包括计算机和仪器系统，所述方法包括以下步骤：
(1)定义标准仪器接口，所述标准仪器接口为仪器系统通用的接口；
(2)将所述计算机接口独立成一个接口单元，所述接口单元一端为计算机接口，另一端为所述的标准仪器接口；所述接口单元与仪器系统通过所述标准仪器接口进行连接；
(3)在所述计算机上将所述接口单元虚拟化成一个标准仪器接口端口，仪器测控软件通过访问所述标准仪器接口端口与仪器系统进行数据交互；
(4)当所述计算机与仪器系统通过所述接口单元互连时，仪器系统对所述接口单元进行识别；在识别过程中，仪器系统与接口单元采用默认的参数进行数据交互，获取所述接口单元的配置信息；当获取所述接口单元的配置信息后，仪器系统对接口单元进行识别、配置操作，完成接口单元的配置；配置完成后，仪器系统采用配置后的参数通过接口单元与计算机进行数据交互。
在所述步骤(1)中，所述标准仪器接口在物理层采用串行通信方法或者并行通信方法。串行通信方法和并行通信方法在物理层具有各自的特征，但在逻辑层具有相同的通信规范和数据格式定义。具体来说，串行通信方法基于异步串行通信(UART)的原理，并行通信方法基于存储总线的原理。串行通信方法的信号定义与通用UART保持一致，可以满足较低通信速率的需求；并行通信方法可以满足较高通信速率的需求。
在所述步骤(4)中，仪器系统对接口单元的识别、配置过程为即插即用过程，通过接口单元内部的配置空间来实现。
所述配置空间采用标准的数据格式，在配置空间中记录接口单元的属性，通过标准的配置时序和配置命令进行访问。
如图1所示，仪器系统实现具体仪器的功能，是整个系统的核心；接口单元实现某一计算机接口的具体功能，其一端为某一计算机接口，例如USB接口、蓝牙无线接口等，另一端为标准仪器接口ISI。接口单元与仪器系统之间通过标准仪器接口ISI互连，接口单元上的计算机接口与计算机的对应接口相连。接口单元是仪器系统的接口适配器，其起到了仪器系统与计算机之间相互数据通信的桥梁作用，将标准仪器接口时序和逻辑转换成某一计算机接口的时序和逻辑。
位于计算机上的操作系统提供接口单元的相关驱动程序，并且将接口单元虚拟化成一个通信端口VISI(Virtual ISI)。位于计算机上的仪器测控软件通过该虚拟端口实现与仪器系统的数据交互。对于测控软件而言，具体的计算机接口是透明的，因此，仪器测控软件的开发与计算机接口无关。
在本发明的方法中，接口单元的实现是整个过程的核心，接口单元的实现包括硬件系统的实现以及基于某一操作平台的虚拟端口驱动程序开发。在具体实施例中，以嵌入式CPU为核心，采用并行仪器接口ISI，利用本发明的方法实现一个USB接口单元。实施例包括以下步骤：
(1)设计如图2所示的电路系统，该电路系统包括嵌入式CPU、双端口存储器、USB接口和并行仪器接口ISI。嵌入式CPU完成系统的控制，实现USB和并行仪器接口的通信协议。存储器为双端口存储单元，此处采用双口RAM实现双端口存储器。USB总线的设计与实现符合USB协议规范，此处采用USB串行接收器PDIUSBD12和嵌入式CPU AT89S52配合实现USB设备。
(2)如图3所示，定义并行仪器接口信号，其中D0-D31为双向数据总线；#WR信号为写控制信号；#RD为读控制信号；#Wreq为写请求信号，由仪器系统驱动；#Wack为写请求应答信号，该信号由接口单元驱动；#Rreq为读请求信号，该信号由接口单元驱动；#Rack为读应答信号，该信号由仪器系统驱动；#EOT为传输结束信号；#CS为片选使能信号，由仪器系统驱动；VCC和GND分别为电源和地信号。目前定义的并行接口总线宽度为32bit，能够满足一般仪器系统的应用。并行仪器接口拥有两种操作模式：配置模式和通信模式。在配置模式下，并行接口采用默认的接口频率，8位数据宽度进行数据交互；在通信模式下，可以采用默认配置的接口频率，32位数据宽度进行数据交互。设计的并行仪器接口ISI需要符合本方法的信号定义，并且需要实现两种接口模式。在接口单元成功配置前，采用配置模式，当接口单元配置成功之后，进入通信模式。
(3)定义并行仪器接口规范的读写时序，设计的接口单元需要符合该读写时序。并行接口读写时序可以分为配置读时序、配置写时序、通信读时序和通信写时序四种。其中，配置读时序与通信读时序类似，分别如图4和图5所示。整个操作可以分为三个阶段：总线请求阶段、数据传输阶段和传输结束阶段。读请求由接口单元发起，仪器系统需要对请求进行应答，请求信号复位之后，进入数据传输阶段。在数据传输阶段，接口单元为从设备，可以中止传输过程。数据传输完毕之后，仪器系统复位请求应答信号，结束整个操作过程。配置读与通信读之间的差别在于#EOT信号，在总线请求阶段，#EOT信号由接口单元驱动，该信号的状态说明了读请求的类别。配置写时序与通信写时序类似，分别如图6和图7所示。整个操作可以分为三个阶段：总线请求阶段、数据传输阶段和传输结束阶段。写请求由仪器系统发起，并且通过#EOT信号标识写操作类型。接口单元对请求信号进行应答，并且进入数据传输阶段。在数据传输阶段接口单元为从设备，可以复位应答信号中止传输过程。整个写操作过程由仪器系统触发#EOT信号进行结束。
(4)如表1所示，定义本发明的配置空间数据格式，每个接口单元在设计过程中都需要实现该配置空间。配置空间中的部分域不仅可读，而且可写，可写数据域用于仪器系统对接口单元进行配置。仪器初始化时会采用默认参数访问配置空间，配置空间数据的获取通过配置写与配置读时序完成。在本实施例中，配置空间数据存储在嵌入式CPU的内置RAM中。
| 序号 | 域成员 | 长度(字节) | 域值 | 说明 | 可写情况 |
| 1 | Vendor ID | 2 | 例如：0x5051 | 厂商ID号 | 只读 |
| 2 | ProductID | 2 | 例如：0x1234 | 产品ID号 | 只读 |
| 3 | Byte Mode | 1 | 规范可以支持多种字节模式，具体模式的定义参见配置空间域成员说明。 | 字节模式，标识IGI适配器支持的传输字节模式 | 只读 |
| 4 | MaxAccessFrequency | 2 | 单位：MHz | 总线访问的上限频率 | 只读 |
| 5 | MaxBufferLength | 2 | 单位：字节，最大缓存容量上限为256字节 | IGI适配器一次数据传输最大缓存容量 | 只读 |
| 6 | Tcfg | 2 | 将上限频率转换成时钟拍数 | 最长配置读响应时间 | 可写 |
| Tick，单位为Tick | |||||
| 7 | Tack | 2 | 将上限频率转换成时钟拍数Tick，单位为Tick | 最长请求应答时间 | 可写 |
| 8 | Trst | 2 | 将上限频率转换成时钟拍数Tick，单位为Tick | 最短请求复位时间 | 可写 |
| 9 | Tsat | 2 | 将上限频率转换成时钟拍数Tick，单位为Tick | 最短起始保持时间 | 可写 |
| 10 | Teot | 2 | 将上限频率转换成时钟拍数Tick，单位为Tick | 最长结束应答时间 | 可写 |
| 11 | Tend | 2 | 将上限频率转换成时钟拍数Tick，单位为Tick | 最短结束保持时间 | 可写 |
| 12 | Reserve | 8 | 保留为0x00 | 预留数据域 | 只读 |
| 13 | Check Sum | 1 | 一个字节数据 | 配置空间校验和 | 可写 |
表1
(5)如图8所示，定义配置报文的数据格式。配置空间和接口单元内部寄存器的访问需要采用相应的命令。在本实施例中，通过软件来实现接收命令的解析与处理。本方法中的命令主要有配置空间读命令(0x01)、配置空间写命令(0x02)、寄存器读命令(0x03)和寄存器写命令(0x04)。命令都需要封装成配置报文，在配置模式下在仪器与接口单元之间进行传输。
(6)为接口单元编写具体操作系统平台下的驱动程序或者DLL动态链接库，但其具体实现方法与本发明无关。虚拟端口的实现框架如图9所示。传统仪器测控软件都需要根据特定的计算机接口实现对仪器系统的控制，仪器与控制计算机之间接口的更换将会导致测控软件的修改。本发明在操作系统中将每个接口单元都虚拟化成一个标准的端口，这个端口与具体的计算机接口无关，仪器测控软件通过该虚拟端口实现对仪器的测控，这种方法实现了测控软件与计算机接口之间的松耦合。在设计接口单元过程中，需要本实施例中的接口类型为USB，可以将USB接口封装成一个标准的端口，应用程序可以通过标准的设备读写访问API函数操作该端口，实现与仪器系统的数据交互。
上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是一个具体的实施例，而并不具有限制性的意义。
Claims (2)
1.一种仪器系统的标准接口方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
（1）定义标准仪器接口，所述标准仪器接口为仪器系统通用的接口；
（2）将计算机接口独立成一个接口单元，所述接口单元一端为计算机接口，另一端为所述的标准仪器接口；所述接口单元与仪器系统通过所述标准仪器接口进行连接；
（3）在计算机上将所述接口单元虚拟化成一个标准仪器接口端口，仪器测控软件通过访问所述标准仪器接口端口与仪器系统进行数据交互；
（4）当所述计算机与仪器系统通过所述接口单元互连时，仪器系统对所述接口单元进行识别；仪器系统对接口单元的识别、配置过程为即插即用过程，通过接口单元内部的配置空间来实现；所述配置空间采用标准的数据格式，在配置空间中记录接口单元的相关参数，通过标准的配置时序和配置命令进行访问；在识别过程中，仪器系统与接口单元采用默认的参数进行数据交互，获取所述接口单元的配置信息；当获取所述接口单元的配置信息后，仪器系统对接口单元进行识别、配置操作，完成接口单元的配置；配置完成后，仪器系统采用配置后的参数通过接口单元与计算机进行数据交互。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在所述步骤（1）中，所述标准仪器接口在物理层采用串行通信方法或者并行通信方法；串行通信方法和并行通信方法在物理层具有各自的特征，但在逻辑层具有相同的通信规范和数据格式定义。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C56 | Change in the name or address of the patentee |
Owner name: BEIJING RUIGUANG INSTRUMENT CO., LTD. Free format text: FORMER NAME: BEIJING LWL INSTRUMENT CO., LTD. |
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| CP03 | Change of name, title or address |
Address after: 100015, M5 building, 5 floors, workshop of Seven Star Huadian Industrial Park, No. 1, Jiuxianqiao East Road, Beijing, Chaoyang District Patentee after: Beijing Ruiguang Instrument Co.,Ltd. Address before: 100016, M5 building, No. 1 East Jiuxianqiao Road, Beijing, Chaoyang District Patentee before: BEIJING LWL INSTRUMENT Co.,Ltd. |
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| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: BEIJING BOHUI INNOVATION TECHNOLOGY CO., LTD. Free format text: FORMER OWNER: BEIJING RUIGUANG INSTRUMENT CO., LTD. Effective date: 20140922 |
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: ADDRESS; FROM: 100015 CHAOYANG, BEIJING TO: 102206 CHANGPING, BEIJING |
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| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20140922 Address after: 102206 No. 9 middle road, Changping District life science and Technology Park, Beijing Patentee after: BEIJING BOHUI INNOVATION TECHNOLOGY Co.,Ltd. Address before: 100015, M5 building, 5 floors, workshop of Seven Star Huadian Industrial Park, No. 1, Jiuxianqiao East Road, Beijing, Chaoyang District Patentee before: Beijing Ruiguang Instrument Co.,Ltd. |
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| CP03 | Change of name, title or address |
Address after: 102206 9 life Garden Road, Changping District, Beijing Patentee after: BEIJING BOHUI INNOVATION BIOTECHNOLOGY Co.,Ltd. Address before: 102206 No. 9 middle road, life science and Technology Park, Changping District, Beijing Patentee before: BEIJING BOHUI INNOVATION TECHNOLOGY Co.,Ltd. |
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| CP03 | Change of name, title or address | ||
| CP01 | Change in the name or title of a patent holder |
Address after: 102206 9 life Garden Road, Changping District, Beijing Patentee after: Beijing Bohui innovative biotechnology group Co.,Ltd. Address before: 102206 9 life Garden Road, Changping District, Beijing Patentee before: BEIJING BOHUI INNOVATION BIOTECHNOLOGY Co.,Ltd. |
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| CP01 | Change in the name or title of a patent holder |